Agenzia federale dall'istruzione

Stato istituzione educativa istruzione professionale superiore

"UNIVERSITÀ POLITECNICA DI TOMSK"

Istituto Elettrotecnico

Direzione 551300 – Ingegneria elettrica, elettromeccanica e tecnologia elettrica

Dipartimento – Azionamento elettrico e apparecchiature elettriche

Abstract sulla disciplina

“Fonti di alimentazione elettrica garantita e ininterrotta per le imprese industriali”

sul tema BATTERIE ALL'IDRURO DI NICHEL-METALLO

Studenti del gruppo 7M142

Krupina N.V._______________

Kondrashov S.A. ____________

«_____»________________

Professore primario, Dottore in Scienze Tecniche

Garganev A.G._______________

"_____"_____________2009

Tomsk – 2009

Introduzione

1. Terminologia

8. Ricarica della batteria Ni-MH

13. Smaltimento

Conclusione

Introduzione

È quasi impossibile immaginare il mondo moderno senza alcun tipo di tecnologia elettronica. Le tecnologie digitali si sono adattate così bene alle nostre vite, rendendole più convenienti e interessanti, che semplicemente non possiamo rifiutarle.

Non dobbiamo però dimenticare che per il funzionamento dei dispositivi mobili sono necessari alimentatori portatili in grado di soddisfare le esigenze sempre crescenti dell'elettronica moderna. Abbiamo guadagnato WiFi e Bluetooth, liberandoci dai cavi dati, ma rimaniamo ancora legati alle reti elettriche.

La scienza applicata, tuttavia, non si ferma, offrendo sempre più nuove tipologie di fonti elettriche. D’altra parte è ancora strano che, nonostante la presenza di così tante nuove tecnologie, le batterie dei nostri telefoni, smartphone, PDA e altri gadget continuino a scaricarsi. Ciò accade perché le persone pensano alla corretta gestione della batteria solo quando è completamente guasta e può essere smaltita in tutta tranquillità. Dovrebbe essere chiaro che la sostituzione di una batteria può costare un bel soldo. Non sosteniamo che a poche persone piaccia seguire rigorosamente le regole operative, ma sfortunatamente solo in questo modo è possibile massimizzare la durata della batteria.

Oggi sono comuni batterie con cinque diversi schemi elettrochimici: nichel-cadmio (Ni-Cd), nichel-metallo idruro (Ni-MH), piombo-acido (Sealed Lead Acid, SLA), ioni di litio (Li-Ion) e polimeri di litio (Li-Polymer). Il fattore determinante per tutte le batterie elencate non è solo la portabilità (ovvero volume e peso ridotti), ma anche l'elevata affidabilità, nonché la alla grande lavoro. I parametri principali di una batteria sono la densità di energia (o energia specifica in massa), il numero di cicli di carica/scarica, la velocità di carica e di autoscarica. Una batteria al piombo è solitamente costituita da due piastre (elettrodi) poste in un elettrolita (una soluzione acquosa di acido solforico). Una cella al nichel-cadmio ha piastre negative e positive arrotolate insieme e posizionate in un cilindro metallico. La piastra positiva è realizzata in idrossido di nichel mentre la piastra negativa è in idrossido di cadmio. Le due piastre sono isolate da un separatore inumidito con elettrolita.

Una batteria al nichel-metallo idruro è strutturalmente simile a una batteria al nichel-cadmio, ma ha un aspetto diverso composizione chimica elettrolita ed elettrodi. In una batteria agli ioni di litio, gli elettrodi e il separatore sono posti in un elettrolita di sale di litio.

Esistono numerosi miti e leggende sulla modalità operativa apparentemente ideale, sui metodi di "addestramento", sulla conservazione, sui metodi e sulle modalità di ricarica e ripristino delle batterie, ma proviamo a capirlo.

1.Terminologia

Una batteria (dal latino accumulatore - collettore, accumulo - raccolta, accumulo) è un dispositivo per immagazzinare energia ai fini del suo successivo utilizzo. Una batteria elettrica converte l’energia elettrica in energia chimica e fornisce la conversione inversa secondo necessità. La batteria viene caricata facendo passare la corrente elettrica attraverso di essa. Come risultato delle reazioni chimiche causate, uno degli elettrodi acquisisce una carica positiva e l'altro una negativa.

Batteria come apparecchio elettrico, è caratterizzato dai seguenti parametri principali: sistema elettrochimico, tensione, capacità elettrica, resistenza interna, corrente di autoscarica e durata.

La capacità della batteria è la quantità di energia che dovrebbe avere una batteria completamente carica. Nei calcoli pratici, la capacità è solitamente espressa in ampere-ora (

). Il numero di amp-ora indica il periodo di tempo in cui una determinata batteria funzionerà a 1 amp. Vale la pena aggiungere, tuttavia, che in moderno dispositivi mobili vengono quindi utilizzate correnti molto più basse capacità della batteria spesso misurato in milliampere-ora (o , o mAh). La capacità nominale (come dovrebbe essere) è sempre indicata sulla batteria stessa o sulla sua confezione. Tuttavia capacità reale non sempre coincide con il valore nominale. In pratica la capacità effettiva della batteria varia dall'80% al 110% del valore nominale.

La capacità specifica è il rapporto tra la capacità della batteria e le sue dimensioni o peso.

Un ciclo è una sequenza di carica e scarica di una batteria.

L'effetto memoria è la perdita di capacità della batteria durante il suo funzionamento. Si manifesta nella tendenza della batteria ad adattarsi al ciclo di lavoro in cui ha funzionato per un certo periodo di tempo. In altre parole, se si carica più volte una batteria senza prima scaricarla completamente, sembra che “ricordi” il suo stato e la prossima volta semplicemente non riuscirà a scaricarsi completamente, quindi la sua capacità diminuisce. All’aumentare del numero di cicli di carica-scarica, l’effetto memoria diventa più pronunciato.

In tali condizioni operative, all'interno della batteria si verifica un aumento dei cristalli sulla piastra (la struttura delle batterie verrà discussa di seguito), che riduce la superficie dell'elettrodo. Con piccole formazioni cristalline della sostanza di lavoro interna, la superficie dei cristalli è massima, quindi anche la quantità di energia immagazzinata dalla batteria è massima. Quando le formazioni cristalline diventano più grandi durante il funzionamento, la superficie dell'elettrodo diminuisce e, di conseguenza, la capacità effettiva diminuisce.

La Figura 1 mostra l'effetto dell'effetto memoria.

Figura 1 – Effetto memoria.

L'autoscarica è la perdita spontanea dell'energia immagazzinata da una batteria nel tempo. Questo fenomeno è causato da processi redox che avvengono spontaneamente, ed è inerente a tutti i tipi di batterie, indipendentemente dal loro sistema elettrochimico. Per quantificare l'autoscarica si utilizza la quantità di energia persa dalla batteria in un certo tempo, espressa in percentuale rispetto al valore ottenuto immediatamente dopo la ricarica. L'autoscarica è massima nelle prime 24 ore dopo la ricarica, quindi è stimata sia per il primo giorno che per il primo mese dopo la ricarica. La quantità di autoscarica della batteria dipende in gran parte dalla temperatura ambiente. Pertanto, quando la temperatura supera i 100°C, l'autoscarica può raddoppiare.

2. Pile: tipologie e provenienza

Le posizioni di leadership nel mercato della produzione di batterie sono occupate da Giappone, Taiwan, Cina e Corea del Sud, e la loro “modesta” presenza sul mercato mondiale aumenta costantemente.

Oggi sul mercato esistono dozzine di diversi modelli di batterie e ogni produttore sta cercando di ottenere la combinazione ottimale di caratteristiche: elevata capacità, dimensioni e peso ridotti, prestazioni in un ampio intervallo di temperature e in condizioni estreme.

Allo stesso tempo, gli studi dimostrano che oltre il 65% degli utenti di tecnologie mobili e portatili desidera batterie ancora più capienti e sono disposti a pagare molto denaro per poter utilizzare la propria “auto” (o telefono) per diversi giorni senza ricaricare. Ecco perché, nella maggior parte dei casi, è necessario acquistare una batteria più capiente di quella inclusa nel kit.

Secondo il sistema elettrochimico, le batterie sono suddivise in diversi tipi:

Piombo acido (piombo acido sigillato, SLA);

Nichel-cadmio (Ni-Cd);

Nichel metallico idruro (Ni-MH);

Ioni di litio (Li-Ion);

Polimero di litio (Li-Pol);

Carburante.

Nella moderna elettronica portatile batterie al piombo non vengono più utilizzate, quindi inizieremo la nostra escursione con le batterie al nichel, ancora utilizzate nelle batterie di macchine fotografiche, computer portatili, videocamere e altri dispositivi.

L'antenato delle batterie al nichel erano le batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd), inventate nel 1899 dallo scienziato svedese Waldmar Jungner. Il principio del loro funzionamento era che il nichel funge da elettrodo positivo (catodo) e il cadmio funge da elettrodo negativo (anodo). All'inizio si trattava di una batteria aperta, nella quale l'ossigeno rilasciato durante la carica si disperdeva direttamente nell'atmosfera, il che impediva la creazione di un involucro sigillato e, unito al costo elevato materiali necessari, l'inizio della produzione di massa è notevolmente rallentato.

Dal 1932 sono stati fatti tentativi per riprendere gli esperimenti. A quel tempo, fu proposta l'idea di introdurre all'interno un elettrodo di nichel poroso simile a una piastra fatto di metalli attivi, che garantirebbe un migliore movimento delle cariche e ridurrebbe significativamente i costi di produzione della batteria.

Ma solo dopo la seconda guerra mondiale (nel 1947) gli sviluppatori arrivarono a un design quasi moderno di batterie sigillate Ni-Cd. Con questo design, i gas interni rilasciati durante la carica venivano assorbiti dalla parte non reagita del catodo e non venivano rilasciati all'esterno, come nelle versioni precedenti.

Se per qualche motivo (superamento della corrente di carica, abbassamento della temperatura) la velocità di formazione dell'ossigeno anodico risulta essere superiore alla velocità della sua ionizzazione catodica, un forte aumento della pressione interna può portare all'esplosione della batteria. Per evitare ciò, la custodia della batteria è in acciaio e talvolta è dotata anche di una valvola di sicurezza.

Da allora, la progettazione delle batterie Ni-Cd non ha subito cambiamenti significativi (Figura 2).

Figura 2 - Struttura di una batteria Ni-Cd

La base di qualsiasi batteria sono gli elettrodi positivi e negativi. In questo circuito, l'elettrodo positivo (catodo) contiene idrossido di nichel NiOOH con polvere di grafite (5-8%) e l'elettrodo negativo (anodo) contiene cadmio metallico Cd sotto forma di polvere.

Le batterie di questo tipo sono spesso chiamate batterie a rullo, poiché gli elettrodi vengono arrotolati in un cilindro (rotolo) insieme ad uno strato separatore, inseriti in una custodia metallica e riempiti di elettrolita. Un separatore (separatore), inumidito con elettrolita, isola le piastre l'una dall'altra. È realizzato in materiale non tessuto, che deve essere resistente agli alcali. L'elettrolita più spesso è l'idrossido di potassio KOH con l'aggiunta di idrossido di litio LiOH, che favorisce la formazione di nichelati di litio e aumenta la capacità del 20%.

Figura 3 - Tensione della batteria durante la carica o la scarica, a seconda del livello di carica attuale.

Durante la scarica, il nichel attivo e il cadmio vengono trasformati negli idrossidi Ni(OH)2 e Cd(OH)2.

I principali vantaggi delle batterie Ni-Cd includono:

Basso costo;

Funzionamento in un ampio intervallo di temperature e resistenza alle variazioni di temperatura (ad esempio, le batterie Ni-Cd possono essere caricate a temperature inferiori allo zero, il che le rende indispensabili quando si lavora nell'estremo nord);

Possono fornire al carico una corrente significativamente maggiore rispetto ad altri tipi di batterie;

Resistenza alle elevate correnti di carica e scarica;

Tempo di ricarica relativamente breve;

Un gran numero di cicli di carica-scarica (con corretto funzionamento possono sopportare più di 1000 cicli);

Facilmente ripristinabile dopo uno stoccaggio a lungo termine.

Svantaggi delle batterie Ni-Cd:

La presenza di un effetto memoria: se si carica regolarmente una batteria non completamente scarica, la sua capacità diminuirà a causa della crescita di cristalli sulla superficie delle piastre e di altri processi fisici e chimici. Per evitare che la batteria si “esaurisca” prima del tempo, è necessario “addestrarla” almeno una volta al mese, come discusso di seguito;

Il cadmio è una sostanza molto tossica, quindi la produzione di batterie Ni-Cd ha un impatto negativo sull'ambiente. Ci sono anche problemi con il riciclaggio e lo smaltimento delle batterie stesse.

Capacità specifica bassa;

Peso e dimensioni importanti rispetto ad altri tipi di batterie con la stessa capacità;

Autoscarica elevata (dopo la ricarica, nelle prime 24 ore di funzionamento si perde fino al 10% dell'energia immagazzinata e in un mese si perde fino al 20% dell'energia immagazzinata).

Figura 4 - Autoscarica delle batterie Ni-Cd

Attualmente, il numero di batterie Ni-Cd prodotte sta rapidamente diminuendo; sono state sostituite, in particolare, da batterie Ni-MH.

3. Batterie al nichel-metallo idruro

Per diversi decenni, le batterie al nichel-cadmio sono state ampiamente utilizzate, ma l’elevata tossicità della produzione ha costretto la ricerca di tecnologie alternative. Di conseguenza, furono create le batterie al nichel-metallo idruro, che vengono prodotte ancora oggi.

Nonostante il lavoro sulla creazione di batterie Ni-MH sia iniziato negli anni '70, solo dieci anni dopo furono trovati composti stabili di idruro metallico in grado di legare grandi volumi di idrogeno.

La prima batteria Ni-MH, che utilizzava la lega LaNi5 come materiale attivo principale dell'elettrodo di idruro metallico, fu brevettata da Will nel 1975. Nei primi esperimenti con le leghe di idruro metallico, le batterie Ni-MH erano instabili e la capacità della batteria richiesta non poteva essere raggiunto. Pertanto, l’uso industriale delle batterie Ni-MH è iniziato solo a metà degli anni ’80 dopo la creazione della lega La-Ni-Co, che consente l’assorbimento elettrochimicamente reversibile dell’idrogeno per più di 100 cicli. Da allora il design Ni-MH ricaricabile le batterie sono state continuamente migliorate per aumentare la loro densità energetica.

Le batterie al nichel-metallo idruro sono analoghe alle batterie al nichel-cadmio nella loro progettazione e alle batterie al nichel-idrogeno nei processi elettrochimici. L'energia specifica di una batteria Ni-MH è significativamente superiore all'energia specifica delle batterie Ni-Cd e Ni-H2 (Tabella 1).

Tabella 1

Parametro	Batterie
	Ni-Cd	Ni-H2	NiMH
Nominativo tensione, V	1,2	1,2	1,2
Energia specifica: h/kg h/dm3
	20 – 40	40 – 55	50 – 80
	60 – 120	60 – 80	100 – 270
Potenza specifica, W/kg	50 – 400	50 – 100	50 – 1100
Vita utile:
	1 – 5	2 – 7	1 – 5
	500 – 1000	2000 – 3000	500 – 2000
Autoscarica,%	20 – 30 (in 28 giorni)	20 – 30 (per 1 giorno)	20 – 40 (in 28 giorni)
Temperatura operativa,	- 50 - +60	- 20 - +30	- 40 - +60
Sostanze nocive	CD	NO	NO

La significativa diffusione di alcuni parametri nella Tabella 1 è associata a diversi scopi (progettazioni) delle batterie. Caratteristiche distintive Le batterie NM hanno caratteristiche (critiche) di alta capacità e alta potenza (la capacità di caricarsi e scaricarsi con correnti elevate), la capacità di resistere a una carica eccessiva e una scarica ultraprofonda (inversione di polarità) e l'assenza di formazione di dendriti. Un vantaggio molto importante della batteria NM rispetto alla batteria NC è l'assenza di un elemento molto dannoso per l'ambiente: il cadmio. In termini di tensione, dimensioni standard, design e tecnologia, la batteria NM corrisponde alla batteria NK e possono essere intercambiabili sia in produzione che in funzionamento.

La sostituzione dell'elettrodo negativo ha permesso di aumentare di 1,3-2 volte il contenuto di massa attiva dell'elettrodo positivo, che determina la capacità della batteria. Pertanto, le batterie Ni-MH hanno caratteristiche energetiche specifiche significativamente più elevate rispetto alle batterie Ni-Cd.

Di conseguenza, l'ambito di applicazione delle batterie NM è vicino all'ambito di applicazione delle batterie NK; le batterie NM vengono utilizzate nei telefoni cellulari, nei cercapersone, nei telefoni cordless, negli scanner, nelle torce elettriche, nelle stazioni radio, nelle biciclette elettriche, nei veicoli elettrici, nelle auto ibride. , temporizzatori elettronici e contatori decennali, dispositivi di archiviazione di backup (MBU) e unità di elaborazione centrale (CP) di computer e laptop, dispositivi di rilevamento di incendi e fumo, dispositivi di allarme di sicurezza, dispositivi di analisi ambientale dell'acqua e dell'aria, unità di memoria di macchine di elaborazione controllate elettronicamente, radio, registratori vocali, calcolatrici, rasoi elettrici, apparecchi acustici, giocattoli elettrici, ecc.

A differenza delle Ni-Cd, le batterie Ni-MH utilizzano una lega di metalli che assorbe l'idrogeno come anodo. L'elettrolita alcalino non prende ancora parte alla reazione, che si basa sul movimento degli ioni idrogeno tra gli elettrodi. Durante la carica, l'idrossido di nichel Ni(OH)2 viene convertito in ossiidrite NiOOH, cedendo idrogeno alla lega dell'elettrodo negativo. L'assorbimento dell'idrogeno non è una reazione isotermica, quindi i metalli per la lega sono sempre selezionati in modo tale che uno di essi rilasci calore quando lega il gas e l'altro, al contrario, assorba calore. In teoria, ciò avrebbe dovuto garantire l'equilibrio termico, tuttavia, le batterie al nichel-metallo idruro si riscaldano molto più delle batterie al nichel-cadmio.

Il successo della diffusione delle batterie al nichel-metallo idruro fu assicurato dall'elevata densità energetica e dall'atossicità dei materiali utilizzati nella loro produzione.

4. Processi di base delle batterie Ni-MH

Le batterie Ni-MH utilizzano un elettrodo di ossido di nichel come elettrodo positivo, proprio come una batteria al nichel-cadmio, e utilizzano un elettrodo di assorbimento dell'idrogeno di nichel-terre rare invece di un elettrodo negativo di cadmio.

Sull'elettrodo positivo di ossido di nichel di una batteria Ni-MH si verifica la seguente reazione:

→ NiOOH + H2O + (carica) → Ni(OH)2 + OH (scarica)

All'elettrodo negativo, il metallo con idrogeno assorbito viene convertito in un idruro metallico:

→ MH + OH (carica) → M + H2O + (scarica)

La reazione complessiva in una batteria Ni-MH è scritta come segue:

Ni(OH)2 + M → NiOOH + MH (carica)

NiOOH + MH → Ni(OH)2 + M (scarica)

L'elettrolita non partecipa alla reazione principale di formazione della corrente.

Dopo aver raggiunto il 70-80% della capacità e durante la ricarica, l'ossigeno inizia a essere rilasciato sull'elettrodo di ossido di nichel:

→ 1/2 O2 + H2O + 2 (sovraccarico),

che viene ripristinato all'elettrodo negativo:

→ 2OH (sovraccarico)

Le ultime due reazioni forniscono un ciclo chiuso dell'ossigeno. Quando l'ossigeno viene ridotto, si verifica un ulteriore aumento della capacità dell'elettrodo ad idruro metallico a causa della formazione del gruppo OH

.

Durante una scarica dopo che la capacità dell'elettrodo positivo è stata esaurita (durante la scarica eccessiva), su di esso si verifica una reazione collaterale di sviluppo di idrogeno:

→ H2 + 2OH (scarica eccessiva).

L'idrogeno raggiunge l'elettrodo negativo attraverso il separatore poroso e su di esso si ossida:

→2H2O + 2 (scarica eccessiva).

5. Progettazione degli elettrodi delle batterie Ni-MH

Elettrodo metallico a idrogeno.

Il materiale principale che definisce le caratteristiche di una batteria Ni-MH è una lega che assorbe l'idrogeno, che può assorbire 1000 volte il proprio volume di idrogeno.

Le più diffuse sono le leghe del tipo LaNi5, in cui parte del nichel viene sostituita da manganese, cobalto e alluminio per aumentare la stabilità e l'attività della lega. Per ridurre i costi, alcune aziende manifatturiere utilizzano il misch metal invece del lantanio (Mm, che è una miscela di elementi delle terre rare, il loro rapporto nella miscela è vicino al rapporto nei minerali naturali), che oltre al lantanio comprende anche cerio, praseodimio e neodimio.

Durante il ciclo carica-scarica, l'espansione e la contrazione del reticolo cristallino delle leghe che assorbono idrogeno avviene del 15-25% a causa dell'assorbimento e del desorbimento dell'idrogeno. Tali cambiamenti portano alla formazione di cricche nella lega a causa dell'aumento dello stress interno. La formazione di cricche provoca un aumento della superficie soggetta a corrosione quando interagisce con un elettrolita alcalino. Per questi motivi la capacità di scarica dell'elettrodo negativo diminuisce gradualmente.

In una batteria con una quantità limitata di elettrolito, ciò crea problemi associati alla ridistribuzione dell'elettrolito. La corrosione della lega porta alla passività chimica della superficie dovuta alla formazione di ossidi e idrossidi resistenti alla corrosione, che aumentano la sovratensione della reazione principale di generazione di corrente dell'elettrodo di idruro metallico. La formazione di prodotti di corrosione avviene con il consumo di ossigeno e idrogeno dalla soluzione elettrolitica, che a sua volta provoca una diminuzione della quantità di elettrolito nella batteria e un aumento della sua resistenza interna.

Per rallentare i processi indesiderati di dispersione e corrosione delle leghe, che determinano la durata delle batterie Ni-MH, vengono utilizzati due metodi principali (oltre all'ottimizzazione della composizione e della modalità di produzione della lega). Il primo metodo consiste nel microincapsulare le particelle di lega, ad es. nel ricoprire la loro superficie con un sottile strato poroso (5-10%) - in peso di nichel o rame. Il secondo metodo, attualmente più utilizzato, prevede il trattamento della superficie delle particelle di lega in soluzioni alcaline per formare pellicole protettive permeabili all'idrogeno.

Elettrodo all'ossido di nichel.

Gli elettrodi all'ossido di nichel nella produzione di massa vengono prodotti con le seguenti modifiche costruttive: lamellare, sinterizzato senza lamelle (cermet) e pressato, compresi gli elettrodi a pastiglia. IN ultimi anni cominciano ad essere utilizzati elettrodi in feltro e polimero espanso senza lamelle.

Gli elettrodi lamellari sono un insieme di scatole perforate interconnesse (lamelle) costituite da un sottile nastro di acciaio nichelato (spessore 0,1 mm).

Gli elettrodi sinterizzati (cermet) sono costituiti da una base metallo-ceramica porosa (con una porosità di almeno il 70%), nei cui pori si trova la massa attiva. La base è costituita da polvere fine di nichel carbonilico che, mescolata con carbonato di ammonio o urea (60-65% di nichel, il resto è riempitivo), viene pressata, laminata o spruzzata su una rete di acciaio o nichel. Quindi la rete con la polvere viene trattata termicamente in un'atmosfera riducente (solitamente un'atmosfera di idrogeno) a una temperatura di 800–960°C, durante la quale il carbonato di ammonio o l'urea si decompongono e volatilizzano e il nichel viene sinterizzato. Le basi così ottenute hanno uno spessore di 1-2,3 mm, una porosità dell'80 - 85% ed un raggio dei pori di 5 - 20 micron. La base viene impregnata alternativamente con una soluzione concentrata di nitrato di nichel o solfato di nichel e una soluzione alcalina riscaldata a 60–90°C, che favorisce la precipitazione di ossidi e idrossidi di nichel.

Attualmente viene utilizzato anche il metodo dell'impregnazione elettrochimica, in cui l'elettrodo viene sottoposto a trattamento catodico in una soluzione di nitrato di nichel. A causa della formazione di idrogeno, la soluzione nei pori della piastra si alcalinizza, il che porta alla precipitazione di ossidi e idrossidi di nichel nei pori della piastra.

Gli elettrodi a lamina rientrano tra i tipi di elettrodi sinterizzati. Gli elettrodi vengono prodotti applicando un'emulsione alcolica di polvere di nichel carbonilico contenente leganti a un sottile nastro di nichel perforato (0,05 mm) su entrambi i lati mediante spruzzatura, sinterizzazione e ulteriore impregnazione chimica o elettrochimica con reagenti. Lo spessore dell'elettrodo è 0,4-0,6 mm.

Gli elettrodi pressati vengono realizzati pressando la massa attiva ad una pressione di 35-60 MPa su una rete o un nastro di acciaio perforato. La massa attiva è costituita da idrossido di nichel, idrossido di cobalto, grafite e un legante.

Gli elettrodi in feltro metallico hanno una base altamente porosa in nichel o fibre di carbonio. La porosità di queste basi è pari o superiore al 95%. L'elettrodo in feltro è realizzato sulla base di polimero nichelato o feltro di grafite di carbonio. Lo spessore dell'elettrodo, a seconda dello scopo, è compreso tra 0,8 e 10 mm. La massa attiva viene introdotta nel feltro con modalità diverse a seconda della sua densità.

Al posto del feltro può essere utilizzata la schiuma di nichel, ottenuta mediante nichelatura del poliuretano espanso seguita da ricottura in ambiente riducente. Una pasta contenente idrossido di nichel e un legante viene solitamente aggiunta a un mezzo altamente poroso mediante diffusione. Successivamente la base con la pasta viene essiccata e arrotolata. Gli elettrodi in feltro e polimero espanso sono caratterizzati da elevata capacità specifica e lunga durata.

6. Design della batteria Ni-MH

Le batterie Ni-MH sono cilindriche. Gli elettrodi positivi e negativi, separati da un separatore, vengono arrotolati in un rotolo, che viene inserito nell'alloggiamento e chiuso con un coperchio sigillante con guarnizione (Figura 5). Il coperchio è dotato di una valvola di sicurezza che interviene ad una pressione di 2-4 MPa in caso di guasto durante il funzionamento a batteria.

Figura 5 – Progettazione di una batteria al nichel-metallo idruro (Ni-MH): 1 cassa; 2 coperti; Tappo a 3 valvole; 4 valvole; Elettrodo positivo a 5 collettori; 6 anelli isolanti; Elettrodo a 7 negativi; 8-separatore; Elettrodo 9-positivo; 10 isolanti.

Nelle batterie prismatiche Ni-MH, gli elettrodi positivi e negativi sono posizionati alternativamente e tra loro è posizionato un separatore. Il blocco dell'elettrodo viene inserito in una custodia di metallo o plastica e chiuso con un tappo di chiusura. Sul coperchio è solitamente installata una valvola o un sensore di pressione (Figura 6).

Figura 6 – Design della batteria Ni-MH: 1 custodia; 2 coperti; Tappo a 3 valvole; 4 valvole; 5-guarnizione isolante; 6-isolante; Elettrodo 7 negativo; 8 separatori; Elettrodo 9-positivo

Le batterie Ni-MH utilizzano un elettrolita alcalino costituito da KOH con l'aggiunta di LiOH. Il polipropilene non tessuto e la poliammide con uno spessore di 0,12-0,25 mm, trattati con un agente bagnante, vengono utilizzati come separatore nelle batterie Ni-MH.

Elettrodo positivo. Le batterie Ni-MH utilizzano elettrodi positivi di ossido di nichel simili a quelli utilizzati nelle batterie Ni-Cd. Le batterie Ni-MH utilizzano principalmente elettrodi metallo-ceramici e, negli ultimi anni, elettrodi in feltro e polimero espanso.

Elettrodo negativo. Cinque modelli di elettrodi negativi all'idruro metallico hanno trovato applicazione pratica nelle batterie Ni-MH:

Lamellare, quando la polvere di una lega che assorbe idrogeno con o senza legante viene pressata in una rete di nichel;

Schiuma di nichel, quando una pasta con una lega e un legante viene introdotta nei pori di una base di schiuma di nichel, quindi essiccata e pressata (laminata);

Foglio, quando una pasta con una lega e un legante viene applicata su un foglio di acciaio nichelato o nichelato perforato, quindi essiccata e pressata;

Laminato, quando la polvere della massa attiva, costituita da una lega e un legante, viene applicata mediante laminazione (rotolamento) su una rete di nichel o rete di rame a trazione;

Sinterizzato, dove la polvere di lega viene pressata su una rete di nichel e quindi sinterizzata in un'atmosfera di idrogeno.

Le capacità specifiche degli elettrodi di idruro metallico di diverse versioni hanno un valore vicino e sono determinate principalmente dalla capacità della lega utilizzata.

7. Caratteristiche delle batterie Ni-MH

Caratteristiche elettriche

La capacità specifica degli elettrodi all'idruro metallico è 0,24-0,3 A∙h/go 1,2-1,5 A∙h/cm3, ovvero fino a 3 volte superiore alla capacità specifica di un elettrodo al cadmio. Come lega che assorbe l'idrogeno vengono utilizzati titanio-nichel o leghe con lantanio (LaNi5).

L'energia specifica delle batterie LM è compresa tra 50-60 Wh/kg o 100-200 Wh/l. La durata operativa della maggior parte delle batterie NM durante il ciclo secondo gli standard IEC (profondità di scarica 60%) è di 500-1000 cicli. Alcune aziende hanno raggiunto 2000-2500 cicli e una durata di 3-5 anni. La maggior parte delle batterie NM possono funzionare in modalità buffer se caricate con una corrente normalizzata di 0,01–0,03 C senza limiti di tempo.

Tensione a circuito aperto. Valore della tensione a circuito aperto Uр.к. I sistemi Ni-MH sono difficili da determinare con precisione a causa della dipendenza del potenziale di equilibrio dell'elettrodo di ossido di nichel dal grado di ossidazione del nichel, nonché della dipendenza del potenziale di equilibrio dell'elettrodo di idruro metallico dal grado di saturazione con idrogeno. Tuttavia, ad un potenziale di circa 0,49 V per Ni(OH)2 | NiOOH e ad un valore potenziale di 0,828 V per un elettrodo di idruro metallico avente un valore di equilibrio della pressione di idrogeno di 0,1 MPa, il valore di Ur.c. sarà 1.318 V. Una diminuzione della pressione di equilibrio dell'idrogeno di 10 volte porterà ad un aumento del potenziale teorico dell'elettrodo (e, quindi, ad una diminuzione di Ur.c) di soli 29 mV. Per il sistema elettrochimico NM è accettato tensione nominale 1,2 V. 24 ore dopo la ricarica della batteria, la tensione a circuito aperto di una batteria Ni-MH carica è compresa tra 1,30 e 1,35 V.

Capacità della batteria. Con l'aumento del carico (diminuzione del tempo di scarica) e la diminuzione della temperatura, la capacità della batteria Ni-MH diminuisce (Figura 8). L'effetto della riduzione della temperatura sulla capacità è particolarmente evidente con velocità di scarica elevate e a temperature inferiori a 0°C Figura 9 - Dipendenza della capacità di scarica di una batteria Ni-MH dal tempo di conservazione a temperature diverse: 1 – 0°С; 2 – 20°С; Valori 3 – 40°С

, , per le batterie LM sono vicini, poiché queste batterie hanno tensioni simili e un elettrodo di ossido di nichel viene utilizzato come elettrodo positivo (con la stessa dipendenza della velocità delle reazioni principali e laterali dal grado di carica).

Negli ultimi anni, numerose aziende hanno iniziato a produrre potenti batterie LM di forma cilindrica e prismatica con una capacità di 3,6 - 14 Ah per auto ibride. Queste batterie possono essere scaricate con correnti normalizzate superiori a 20°C. Le batterie di tali batterie (fino a 240 batterie in una batteria) hanno densità di potenza 0,9 – 1,1 kW/kg. Esempi tipici: una batteria Panasonic da 240 batterie prismatiche con una capacità di 6,5 A∙h ha una potenza di 1080 W/kg, una batteria Makevell di batterie cilindriche con una capacità di 3,4 A∙h - 870 W/kg, una batteria Varta di 1100 W/kg a 20°C e 500 W/kg a -25°C. La durata della batteria Varta è di 2.400 cicli al 100% di profondità di scarica, 5.000 cicli all'80%, 78.000 cicli al 12%, 255.000 cicli al 5% e 360.000 cicli al 4%.

8. Ricarica della batteria Ni-MH

Il tempo di funzionamento (numero di cicli di scarica-carica) e la durata di una batteria Ni-MH sono in gran parte determinati dalle condizioni operative. Il tempo di funzionamento diminuisce con l'aumentare della profondità e della velocità di scarico. Il tempo di funzionamento dipende dalla velocità di ricarica e dal metodo di monitoraggio del suo completamento. A seconda del tipo di batterie Ni-MH, della modalità operativa e delle condizioni operative, le batterie forniscono da 500 a 1000 cicli di scarica-carica con una profondità di scarica dell'80% e hanno una durata da 3 a 5 anni.

Per garantire un funzionamento affidabile della batteria Ni-MH entro il periodo garantito, è necessario seguire le raccomandazioni e le istruzioni del produttore. Occorre prestare la massima attenzione condizioni di temperatura. Si consiglia di evitare scariche eccessive (sotto 1V) e cortocircuiti. Si consiglia di utilizzare le batterie Ni-MH per lo scopo previsto, di evitare di combinare batterie usate e non utilizzate e di non saldare cavi o altre parti direttamente alla batteria.

Le batterie Ni-MH sono più sensibili al sovraccarico rispetto alle batterie Ni-Cd. Il sovraccarico può portare a una fuga termica. La ricarica viene solitamente effettuata con la corrente Iз=0,1С per 15 ore. La ricarica compensativa viene effettuata con la corrente Iз=0,01-0,03С per 30 ore o più.

Per le batterie Ni-MH con elettrodi altamente attivi sono possibili ricariche accelerate (4 - 5 ore) e rapide (1 ora). Con tali cariche, il processo è controllato dalle variazioni di temperatura ΔT, tensione ΔU e altri parametri. La ricarica rapida viene utilizzata, ad esempio, per le batterie Ni-MH che alimentano laptop, telefoni cellulari e utensili elettrici, sebbene laptop e telefoni cellulari ora utilizzino principalmente batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio. Si consiglia inoltre un metodo di ricarica a tre fasi: la prima fase di ricarica rapida (1C e superiore), una carica a una velocità di 0,1C per 0,5-1 ora per la ricarica finale e una carica a una velocità di 0,05-0,02 C come ricarica compensativa. Le informazioni sui metodi di ricarica delle batterie Ni-MH sono generalmente contenute nelle istruzioni del produttore e la corrente di ricarica consigliata è indicata sulla custodia della batteria.

La tensione di carica Uz a Iz = 0,3-1C è compresa tra 1,4 e 1,5 V. A causa del rilascio di ossigeno sull'elettrodo positivo, la quantità di elettricità trasferita durante la carica (Q3) è maggiore della capacità di scarica (Cp). Allo stesso tempo, il rendimento della capacità (100 Sr/Q3) è rispettivamente del 75-80% e dell'85-90% per le batterie Ni-MH a disco e cilindriche.

Controllo di carica e scarica. Per evitare il sovraccarico delle batterie Ni-MH, è possibile utilizzare i seguenti metodi di controllo della carica con sensori appropriati installati nelle batterie o nei caricabatterie:

Metodo di arresto della carica in base alla temperatura assoluta Tmax. La temperatura della batteria viene costantemente monitorata durante il processo di ricarica, e quando viene raggiunto il valore massimo, la carica rapida viene interrotta;

Metodo di arresto della carica in base alla velocità di variazione della temperatura ΔT/Δt. Quando si utilizza questo metodo, la pendenza della curva di temperatura batteria viene costantemente monitorato durante il processo di carica e quando questo parametro diventa superiore ad un valore appositamente impostato la carica viene interrotta;

Metodo per arrestare la carica utilizzando una tensione negativa delta -ΔU. Al termine della carica della batteria, durante il ciclo dell'ossigeno, la sua temperatura comincia ad aumentare, determinando una diminuzione della tensione;

Metodo di terminazione della ricarica basato sul tempo massimo di ricarica t;

Metodo di terminazione della carica basato sulla pressione massima Pmax. Tipicamente utilizzato nelle batterie prismatiche grandi dimensioni e contenitori. Il livello di pressione ammissibile in un accumulatore prismatico dipende dalla sua progettazione ed è compreso tra 0,05 e 0,8 MPa;

Metodo di terminazione della carica tensione massima Umax. Viene utilizzato per interrompere la carica delle batterie con elevata resistenza interna, che appaiono al termine della loro vita utile per mancanza di elettrolito o per basse temperature.

Quando si utilizza il metodo Tmax, la batteria potrebbe essere sovraccarica se la temperatura ambiente scende oppure la batteria potrebbe essere sottocarica se la temperatura ambiente aumenta in modo significativo. Il metodo ΔT/Δt può essere utilizzato in modo molto efficace per interrompere la ricarica a basse temperature ambiente. Ma se a temperature più elevate si utilizza solo questo metodo, le batterie all'interno delle batterie saranno soggette a temperature indesiderabilmente elevate prima che venga raggiunto il valore ΔT/Δt per lo spegnimento. Per un dato valore di ΔT/Δt, è possibile ottenere una capacità di ingresso maggiore a una temperatura ambiente inferiore rispetto a una temperatura superiore. All'inizio della carica della batteria (così come alla fine della carica), la temperatura aumenta rapidamente, il che può portare ad un arresto prematuro della carica quando si utilizza il metodo ΔT/Δt. Per eliminare questo problema, gli sviluppatori di caricabatterie utilizzano timer per il ritardo iniziale della risposta del sensore utilizzando il metodo ΔT/Δt.

Il metodo -ΔU è efficace nell'arrestare la carica a basse temperature ambiente piuttosto che a temperature elevate. In questo senso il metodo è simile al metodo ΔT/Δt. Per garantire la conclusione della ricarica nei casi in cui circostanze impreviste impediscono la normale interruzione della ricarica, si consiglia inoltre di utilizzare il controllo timer per regolare la durata dell'operazione di ricarica (metodo t).

Pertanto, per caricare rapidamente batterie con correnti normalizzate di 0,5-1C a temperature di 0-50°C, è consigliabile utilizzare contemporaneamente i metodi Tmax (con temperatura di spegnimento di 50-60°C a seconda della progettazione delle batterie e batterie), -ΔU (5-15mV per batteria), t (normalmente per ottenere il 120% della capacità nominale) e Umax (1,6-1,8 V per batteria). Invece del metodo -ΔU, è possibile utilizzare il metodo ΔT/Δt (1-2 °C/min) con un timer di ritardo iniziale (5-10 min).

Dopo una ricarica rapida della batteria, i caricabatterie provvedono a commutarla alla ricarica con una corrente normalizzata di 0,1C - 0,2C per un certo tempo.

Per le batterie Ni-MH non è consigliabile caricarle a tensione costante, poiché potrebbe verificarsi un “guasto termico” delle batterie. Ciò è dovuto al fatto che al termine della carica si ha un aumento di corrente, proporzionale alla differenza tra la tensione di alimentazione e la tensione della batteria, e la tensione della batteria a fine carica diminuisce a causa della aumento della temperatura.

A basse temperature la velocità di carica deve essere ridotta. Altrimenti, l'ossigeno non avrà il tempo di ricombinarsi, il che porterà ad un aumento della pressione nella batteria. Per il funzionamento in tali condizioni si consigliano batterie Ni-MH con elettrodi altamente porosi.

9. Vantaggi e svantaggi delle batterie Ni-MH

Un aumento significativo dei parametri energetici specifici non è l'unico vantaggio delle batterie Ni-MH rispetto alle batterie Ni-Cd. Il rifiuto del cadmio significa anche una transizione verso una produzione più rispettosa dell'ambiente. Anche il problema del riciclaggio delle batterie esaurite è più semplice da risolvere. Questi vantaggi delle batterie Ni-MH hanno determinato di più crescita rapida i loro volumi di produzione da tutte le principali aziende produttrici di batterie a livello mondiale rispetto alle batterie Ni-Cd.

Le batterie Ni-MH non hanno l'"effetto memoria" tipico delle batterie Ni-Cd a causa della formazione di nichel nell'elettrodo negativo di cadmio. Rimangono tuttavia gli effetti legati alla ricarica dell'elettrodo di ossido di nichel.

La diminuzione della tensione di scarica osservata con ricariche frequenti e lunghe, proprio come con le batterie Ni-Cd, può essere eliminata eseguendo periodicamente diverse scariche fino a 1 V. È sufficiente effettuare tali scariche una volta al mese.

Tuttavia, le batterie al nichel-metallo idruro sono inferiori alle batterie al nichel-cadmio, che sono destinate a sostituire, in alcune caratteristiche prestazionali:

Le batterie Ni-MH funzionano efficacemente in un intervallo più ristretto di correnti operative, che è associato a un limitato desorbimento di idrogeno dall'elettrodo di idruro metallico a velocità di scarica molto elevate;

Le batterie Ni-MH hanno un intervallo di temperatura di funzionamento più ristretto: la maggior parte di esse non è utilizzabile a temperature inferiori a -10°C e superiori a +40°C, sebbene in alcune serie di batterie gli adeguamenti alle ricette abbiano ampliato i limiti di temperatura;

Durante la ricarica delle batterie Ni-MH, viene generato più calore rispetto alla ricarica delle batterie Ni-Cd, pertanto, per evitare il surriscaldamento delle batterie Ni-MH durante la ricarica rapida e/o un sovraccarico significativo, vengono utilizzati fusibili termici o relè termici. installati al loro interno, che si trovano sulla parete di una delle batterie nella parte centrale della batteria;

Le batterie Ni-MH presentano una maggiore autoscarica (Figura 10), determinata dall'inevitabilità della reazione dell'idrogeno disciolto nell'elettrolita con l'elettrodo positivo di ossido di nichel (ma, grazie all'utilizzo di leghe speciali dell'elettrodo negativo, è stato possibile ottenere una riduzione del tasso di autoscarica a valori prossimi a quelli delle batterie Ni-Cd;

Il pericolo di surriscaldamento durante la ricarica di una delle batterie Ni-MH della batteria, nonché di inversione della batteria con capacità inferiore quando la batteria è scarica, aumenta con la mancata corrispondenza dei parametri della batteria a causa di cicli prolungati, quindi il la creazione di batterie con più di 10 batterie non è consigliata da tutti i produttori;

La perdita di capacità dell'elettrodo negativo che si verifica in una batteria Ni-MH quando scaricata al di sotto di 0 V è irreversibile, il che impone requisiti più severi per la selezione delle batterie nella batteria e il controllo del processo di scarica rispetto al caso di utilizzo di Ni -Batterie Cd; di norma si consiglia una scarica fino a 1 V/ac in batterie a bassa tensione e fino a 1,1 V/ac in una batteria da 7-10 batterie.

Come notato in precedenza, il degrado delle batterie Ni-MH è determinato principalmente da una diminuzione della capacità di assorbimento dell'elettrodo negativo durante il ciclo. Durante il ciclo di carica-scarica, il volume del reticolo cristallino della lega cambia, il che porta alla formazione di crepe e successiva corrosione durante la reazione con l'elettrolita. La formazione di prodotti di corrosione avviene con l'assorbimento di ossigeno e idrogeno, a seguito della quale diminuisce la quantità totale di elettrolito e aumenta la resistenza interna della batteria.

Va notato che le caratteristiche delle batterie Ni-MH dipendono in modo significativo dalla lega dell'elettrodo negativo e dalla tecnologia di lavorazione della lega per aumentare la stabilità della sua composizione e struttura. Ciò costringe i produttori di batterie a selezionare attentamente i fornitori di leghe e i consumatori di batterie a selezionare attentamente un’azienda produttrice.

10. Standard e designazioni delle batterie NM

In conformità con gli standard della Commissione Elettrochimica Internazionale IEC 61436 e IEC 61951-2, le batterie cilindriche HM sono designate con le lettere HR, prismatiche con le lettere HF e le batterie a disco con le lettere HB. Dopo le lettere, per le batterie cilindriche NM, il diametro e l'altezza della batteria in millimetri sono indicati tramite una linea frazionaria (arrotondata per eccesso a un numero intero), mentre per le batterie prismatiche sono indicati la larghezza, lo spessore e l'altezza. Ad esempio, HR15/51, HF15/09/49. Per le batterie a disco, il diametro e l'altezza sono indicati tramite una linea frazionaria, ma non in millimetri, ma utilizzando una dimensione di 1/10 di millimetro. Ad esempio, una batteria a disco con un diametro di 15,6 mm e un'altezza di 6,4 mm è denominata HB 156/064.

Notiamo di più requisiti importanti alle batterie NM secondo questi standard:

Modalità di carica con una corrente normalizzata di 0,1 C per 16 ore ad una temperatura di (20 ± 5) ° C;

La durata della scarica a una temperatura di (20±5)°C con una corrente normalizzata di 0,2C a una tensione di 0,9 V è di almeno 42 minuti per le batterie NM cilindriche e prismatiche e di almeno 35 minuti per le batterie a disco;

La durata deve essere di almeno 500 cicli;

Questi standard non stabiliscono i requisiti per le batterie LM a temperature elevate e inferiori a 0°C.

11. Conservazione e funzionamento delle batterie Ni-MH

Prima di iniziare a utilizzare le nuove batterie Ni-MH, vale la pena ricordare che devono prima essere "potenziate" per ottenere la massima capacità. Per fare ciò è consigliabile dotarsi di un caricabatterie in grado di scaricare le batterie: impostare il caricabatterie sulla corrente minima e caricare la batteria, per poi scaricarla immediatamente premendo l'apposito pulsante sul caricabatterie. Se non hai un dispositivo del genere a portata di mano, puoi semplicemente "caricare" la batteria a piena capacità e attendere.

Potrebbero essere necessari 2-5 cicli di questo tipo, a seconda della durata e della temperatura di conservazione nei magazzini e nei negozi. Molto spesso, le condizioni di conservazione sono tutt'altro che ideali, quindi l'addestramento ripetuto tornerà utile.

Per il funzionamento più efficiente e produttivo della batteria per il maggior tempo possibile, è necessario scaricarla ulteriormente, se possibile, completamente (si consiglia di caricare il dispositivo solo dopo che si è spento a causa della scarica della batteria) e caricare la batteria batteria per evitare la comparsa dell'effetto memoria e la riduzione della durata della batteria. Per ripristinare la piena (per quanto possibile) capacità della batteria è necessario effettuare anche la formazione sopra descritta. In questo caso la batteria viene scaricata alla tensione minima consentita per cella e le formazioni cristalline vengono distrutte. È necessario stabilire una regola per addestrare la batteria almeno una volta ogni due mesi. Ma non dovresti nemmeno esagerare: l'uso frequente di questo metodo consuma la batteria. Dopo la scarica si consiglia di lasciare il dispositivo in carica per almeno 12 ore.

L'effetto memoria può essere eliminato anche scaricando con una corrente elevata (2-3 volte superiore alla corrente nominale).

“Volevamo il meglio, ma è andata come sempre”

La prima e più semplice regola per caricare correttamente qualsiasi batteria è utilizzare il caricabatterie (di seguito denominato caricabatterie) venduto nel kit (ad esempio telefono cellulare) o laddove le condizioni di ricarica soddisfano i requisiti del produttore della batteria (ad esempio, per batterie AA Ni-MH).

In ogni caso è meglio acquistare batterie e caricabatterie consigliati dal produttore. Ogni azienda ha le proprie tecnologie di produzione e caratteristiche operative delle batterie. Prima di utilizzare batterie e caricabatterie, è necessario leggere attentamente tutte le istruzioni incluse e altro materiale informativo.

Come abbiamo scritto sopra, nella confezione sono solitamente inclusi i dispositivi di memoria più semplici. Tali caricabatterie, di norma, danno agli utenti un minimo di preoccupazione: i produttori di telefoni cercano di coordinare la tecnologia di ricarica con tutti i possibili tipi di batterie progettate per funzionare con una determinata marca di dispositivo. Ciò significa che se il dispositivo è progettato per funzionare con batterie Ni-Cd, Ni-MH e Li-Ion, questo caricabatterie caricherà tutte le batterie sopra indicate con la stessa efficacia, anche se hanno capacità diverse.

Ma qui c'è uno svantaggio. Le batterie al nichel, sensibili all'effetto memoria, devono essere periodicamente scaricate completamente, ma il “dispositivo” non è in grado di farlo: quando viene raggiunta una certa soglia di tensione, si spegne. La tensione alla quale si verifica lo spegnimento automatico è superiore alla tensione alla quale la batteria deve essere scaricata per distruggere i cristalli che riducono la capacità della batteria. In questi casi è comunque meglio utilizzare un caricabatterie con funzione di scarica.

Si ritiene che le batterie Ni-MH possano essere caricate solo dopo che sono completamente scariche (100%). Ma in realtà, scaricare completamente la batteria non è desiderabile, altrimenti la batteria si guasterà prematuramente. Si consiglia una profondità di scarico dell'85-90%, la cosiddetta scarica superficiale.

Inoltre, è necessario tenere presente che le batterie Ni-MH richiedono modalità di ricarica speciali, a differenza delle Ni-Cd, che sono le meno esigenti in termini di modalità di ricarica.

Sebbene le moderne batterie al nichel-metallo idruro siano in grado di sopportare il superamento della carica nominale, il surriscaldamento risultante riduce la durata della batteria. Pertanto, durante la ricarica è necessario tenere conto di tre fattori: tempo, quantità di carica e temperatura della batteria. Oggi c'è gran numero Caricabatterie che forniscono il controllo sulla modalità di ricarica.

Ci sono memorie lente, veloci e pulsate. Vale subito la pena ricordare che questa divisione è abbastanza arbitraria e dipende dal produttore della batteria. L'approccio al problema dell'addebito è approssimativamente il seguente: l'azienda si sta sviluppando vari tipi batterie per varie applicazioni e set per ciascun tipo, raccomandazioni e requisiti per i metodi di ricarica più favorevoli. Di conseguenza, lo stesso aspetto(dimensioni) le batterie potrebbero richiedere metodi di ricarica diversi.

I caricabatterie “lenti” e “veloci” differiscono nella velocità con cui vengono caricate le batterie. I primi caricano la batteria con una corrente pari a circa 1/10 della corrente nominale, il tempo di ricarica è di 10 - 12 ore e, di norma, lo stato della batteria non viene monitorato, il che non è molto buono ( le batterie completamente e parzialmente scariche devono essere caricate in diverse modalità).

"Fast" carica la batteria con una corrente compresa tra 1/3 e 1 del suo valore nominale. Tempo di ricarica: 1-3 ore. Molto spesso si tratta di un dispositivo a doppia modalità che risponde alle variazioni di tensione sui terminali della batteria durante la ricarica. Innanzitutto, la carica viene accumulata in modalità “ad alta velocità”, quando la tensione raggiunge un certo livello, la ricarica ad alta velocità si interrompe e il dispositivo passa alla modalità di ricarica lenta “di mantenimento”. Questi dispositivi sono ideali per batterie Ni-Cd e Ni-MH. Ora i caricabatterie più comuni utilizzano la tecnologia carica ad impulsi. Di norma possono essere utilizzati per tutti i tipi di batterie. Questo caricabatterie è particolarmente adatto per prolungare la durata delle batterie Ni-Cd, poiché questo distrugge le formazioni cristalline della sostanza attiva (l'“effetto memoria” viene ridotto) che si formano durante il funzionamento. Tuttavia, per le batterie con un significativo "effetto memoria", l'uso solo del metodo di ricarica a impulsi non è sufficiente: è necessaria una scarica profonda (recupero) secondo uno speciale algoritmo per distruggere grandi formazioni cristalline. I caricabatterie convenzionali, anche con funzione di scarica, non sono in grado di farlo. Questo può essere fatto presso il centro servizi utilizzando attrezzature speciali.

Per chi trascorre molto tempo alla guida, il caricabatteria per auto è sicuramente un must. Il più semplice è realizzato sotto forma di un cavo di collegamento cellulare con presa accendisigari per auto (tutte le “vecchie” opzioni sono destinate solo alla ricarica di batterie Ni-Cd e Ni-MH). Tuttavia, non dovresti abusare di questo metodo di ricarica: tali condizioni operative influiscono negativamente sulla durata della batteria.

Se hai già scelto il caricabatterie adatto a te, leggi i seguenti consigli per caricare le batterie Ni-Cd e Ni-Mh:

Caricare solo batterie completamente scariche;

Non posizionare una batteria completamente carica per una ricarica aggiuntiva, poiché ciò ne ridurrà notevolmente la durata;

Non lasciare le batterie Ni-Cd e Ni-MH per molto tempo nel caricabatteria dopo la fine della carica, poiché il caricabatteria continua a caricarle anche dopo una carica completa, ma solo con una corrente molto più bassa. La presenza a lungo termine di batterie Ni-Cd e Ni-MH nel caricabatterie porta al loro sovraccarico e al deterioramento dei parametri;

Le batterie devono essere a temperatura ambiente prima della ricarica. La ricarica è più efficace a temperature ambiente comprese tra +10°C e +25°C.

Durante il processo di ricarica le batterie potrebbero surriscaldarsi. Ciò è particolarmente vero per le serie ad alta capacità con ricarica intensiva (rapida). La temperatura massima di riscaldamento per le batterie è +55°C. Il design dei caricabatterie rapidi (da 30 minuti a 2 ore) fornisce il controllo della temperatura per ciascuna batteria. Quando la custodia della batteria si riscalda fino a +55°C, il dispositivo passa dalla modalità di ricarica principale alla modalità di ricarica aggiuntiva, durante la quale la temperatura diminuisce. Il design delle batterie stesse fornisce anche protezione contro il surriscaldamento sotto forma di una valvola di sicurezza (che impedisce la distruzione della batteria), che si apre se la pressione del vapore dell'elettrolita all'interno della custodia supera i limiti consentiti.

Magazzinaggio

Se hai acquistato una batteria e non intendi utilizzarla immediatamente, è meglio familiarizzare con le regole per la conservazione delle batterie Ni-MH.

Innanzitutto la batteria deve essere rimossa dal dispositivo e protetta dall'umidità e dalle alte temperature. La tensione sulla batteria non deve diminuire in modo significativo a causa dell'autoscarica, ovvero durante la conservazione a lungo termine la batteria deve essere caricata periodicamente.

Non conservare la batteria a temperature elevate, ciò accelera il degrado dei materiali attivi all'interno della batteria. Ad esempio, il funzionamento continuo e la conservazione a 45°C ridurranno la velocità di ciclo di una batteria Ni-MH di circa il 60%.

A basse temperature, le condizioni di conservazione sono le migliori, ma notiamo che è specifico per la conservazione, poiché la produzione di energia di qualsiasi batteria a temperature inferiori allo zero diminuisce e non è possibile caricarla affatto. La conservazione a basse temperature ridurrà l'autoscarica (ad esempio, puoi metterlo nel frigorifero, ma mai nel congelatore).

Oltre alla temperatura, la durata della batteria è notevolmente influenzata dal grado di carica. Alcuni dicono che dovrebbe essere conservato carico, altri insistono per scaricarlo completamente. L'opzione migliore è caricare la batteria del 40% prima di riporla.

12. Produttori e prospettive delle batterie NM

Secondo una ricerca condotta da Avicenne Development (Francia), nel 2005, il volume di produzione delle batterie NM (1621 milioni di unità) ha già superato il volume di produzione delle batterie NC (1170 milioni di unità). Il leader nella produzione di batterie HM era SANYO (56%). In Russia, la produzione in serie di batterie NM è stata gestita da JSC "Zavod MEZON" (batterie cilindriche di quattro dimensioni standard) e JSC "AK Rigel" (batteria cilindrica di dimensioni standard AA, batterie prismatiche e a disco).

Grazie all’aumento dei volumi di produzione delle batterie NM e alla diminuzione del prezzo dei materiali utilizzati, attualmente i prezzi delle batterie NK e NM da 1A∙h sono quasi uguali. Nella tabella La tabella 2 mostra i dati sui prezzi e sui volumi di produzione delle batterie portatili NM, NK, agli ioni di litio e ai polimeri di litio nel 2000. e 2005

Tabella 2

Batteria	2000			2005
	Volume, milioni di pezzi.	Volume, milioni di dollari USA	Prezzo medio, USD/pz.	Volume, milioni di pezzi.	Volume, milioni di dollari USA	Prezzo medio, USD/pz.
NK	1360	1401	1,03	1170	1107	0,95
NM	1325	1078	0,81	1621	1043	0,64
Li-Ion	545	2869	5,26	933	2976	3,19
Li-Pol	19	138	7,26	350	1240	3,54
Totale	3249	5486	1,69	4074	6366	1,56

13. Smaltimento

Le batterie NM sono rispettose dell'ambiente, poiché non contengono elementi tossici e nocivi come cadmio, piombo e mercurio. Questo è uno dei motivi principali dell’uso diffuso delle batterie NM.

Le batterie NM, le cui dimensioni fisiche sono le stesse delle batterie NK, vengono naturalmente raccolte dopo l'uso insieme alle batterie NK. Sebbene le batterie LM non contengano cadmio, il loro incenerimento o smaltimento in discarica non è pratico a causa del loro alto contenuto di metalli pesanti. La separazione automatica degli accumulatori NM da quelli NK, ad esempio, in base al principio delle differenze nella loro densità, è difficile. Pertanto, le batterie LM e NK sono soggette a riciclaggio congiunto per estrarre, innanzitutto, cobalto e nichel (a volte vengono estratti anche i metalli delle terre rare).

Attualmente si sta lavorando per ottenere Co, Ni e metalli delle terre rare dalle batterie LM utilizzando un processo di separazione della soluzione.

Elenco delle fonti utilizzate

1. http://www.PowerInfo.ru

2. http://www.ladoshki.com

3. http://battery.newlist.ru

4. http://old.aktex.ru

5. Fonti chimiche attuale: Elenco / Ed. N.V. Korovina e A.M. – M.: Casa editrice MPEI, 2003. 740 p., ill.

Per esperienza operativa

Le celle NiMH sono ampiamente pubblicizzate come ad alta energia, resistenti al freddo e prive di memoria. Avendo acquistato una fotocamera digitale Canon PowerShot A 610, l'ho naturalmente dotata di una memoria capiente per 500 immagini alta qualità, e per aumentare la durata delle riprese ho acquistato 4 celle NiMH con una capacità di 2500 mAh della Duracell.

Confrontiamo le caratteristiche degli elementi prodotti industrialmente:

Opzioni		Ioni di litio Ioni di litio	Nichel-cadmio NiCd	Nichel- NiMH idruro metallico	Piombo acido Pb
Durata del servizio cicli di carica/scarica		1-1,5 anni	500-1000		3 00-5000
Capacità energetica, W*h/kg
Corrente di scarica, mA*capacità della batteria
Tensione di un elemento, V
Tasso di autoscarica		2-5% al ​​mese	10% per il primo giorno, 10% per ogni mese successivo	2 volte superiore NiCd	40% all'anno
Intervallo di temperatura consentito, gradi Celsius	ricarica
	distensione		-20... +65
Intervallo di tensione consentito, V		2,5-4,3 (coke), 3,0-4,3 (grafite)			5,25-6,85 (per le batterie 6 V), 10,5-13,7 (per le batterie 12 V)

Tabella 1.

Dalla tabella vediamo che gli elementi NiMH hanno un'elevata capacità energetica, il che li rende preferibili nella scelta.

Per caricarle è stato acquistato un caricabatterie intelligente DESAY Full-Power Harger, che provvede alla ricarica delle celle NiMH durante il loro addestramento.

Gli elementi furono caricati in modo efficiente, ma... Tuttavia, alla sesta carica, morì per molto tempo. L'elettronica è bruciata.

Dopo aver sostituito il caricabatterie e diversi cicli di carica-scarica, le batterie hanno iniziato a scaricarsi nel secondo o terzo dieci scatti.

Si è scoperto che, nonostante le assicurazioni, anche le celle NiMH hanno memoria. E la maggior parte dei moderni dispositivi portatili che li utilizzano dispongono di una protezione integrata che spegne l'alimentazione quando viene raggiunta una determinata tensione minima. Ciò non ti consente di esibirti scarico completo

batteria È qui che la memoria degli elementi comincia a svolgere il suo ruolo. Le celle non completamente scariche ricevono una carica incompleta e la loro capacità diminuisce ad ogni ricarica.

I caricabatterie di alta qualità ti consentono di caricare senza perdere capacità. Ma non sono riuscito a trovare qualcosa di simile in vendita per elementi con una capacità di 2500 mAh. Non resta che addestrarli periodicamente.

Addestramento delle cellule NiMH Tutto quanto scritto di seguito non si applica alle celle della batteria con forte autoscarica

.

La scarica viene eseguita finché la tensione sulla cella della batteria non scende a 1 V.

Si consiglia di scaricare gli elementi singolarmente. Il motivo è che la capacità di accettare addebiti può variare. E si intensifica quando si carica senza allenamento. Pertanto la protezione dalla tensione del vostro dispositivo (lettore, fotocamera, ...) viene attivata prematuramente e l'elemento non scarico viene successivamente caricato. Il risultato di ciò è una crescente perdita di capacità.

Lo scarico deve essere eseguito in un dispositivo speciale (Fig. 3), che consente di eseguirlo individualmente per ciascun elemento. Se non è presente alcun controllo della tensione, la scarica è stata eseguita fino a quando la luminosità della lampadina è notevolmente diminuita.

E se cronometri il tempo di combustione della lampadina, puoi determinare la capacità della batteria, che viene calcolata con la formula:

Capacità = Corrente di scarica x Tempo di scarica = I x t (A * ora)

Una batteria con una capacità di 2500 mAh è in grado di fornire al carico una corrente di 0,75 A per 3,3 ore, se il tempo ottenuto a seguito della scarica è inferiore, e di conseguenza la capacità residua è inferiore. E quando la capacità richiesta diminuisce, è necessario continuare ad allenare la batteria.

Ora, per scaricare le celle della batteria, utilizzo un dispositivo realizzato secondo il circuito mostrato in Fig. 3.

È ricavato da un vecchio caricabatterie e si presenta così:

Solo che ora ci sono 4 lampadine, come in Fig. 3. Dobbiamo dire qualcosa a parte sulle lampadine. Se la lampadina ha una corrente di scarica pari o leggermente inferiore alla corrente nominale di una determinata batteria, può essere utilizzata come carico e indicatore, altrimenti la lampadina è solo un indicatore.

Quindi il valore del resistore deve essere tale che la resistenza totale di El 1-4 e del resistore R 1-4 parallelo ad esso sia di circa 1,6 Ohm. La sostituzione di una lampadina con un LED non è accettabile.

Un esempio di lampadina che può essere utilizzata come carico è una lampadina a torcia krypton da 2,4 V. Un caso speciale. Attenzione! I produttori non garantiscono il normale funzionamento delle batterie con correnti di carica superiori alla corrente

ricarica accelerata

Ancora una volta attiro la vostra attenzione! È necessario verificare l'autoscarica di tali elementi! Nella maggior parte dei casi, sono gli elementi con tensione ridotta ad avere una maggiore autoscarica. Questi oggetti sono più facili da buttare via.

È preferibile fatturare singolarmente per ogni elemento.

Per due celle da 1,2 V tensione di carica non deve superare i 5-6V. Durante la ricarica forzata la lampadina funge anche da indicatore. Quando la luminosità della lampadina diminuisce, puoi controllare la tensione sull'elemento NiMH. Sarà superiore a 1,1 V. In genere, la ricarica forzata iniziale richiede da 1 a 10 minuti.

Se una cella NiMH non aumenta la tensione durante la carica forzata per diversi minuti e si surriscalda, è un motivo per rimuoverla dalla carica e scartarla.

Consiglio di utilizzare caricabatterie solo con la capacità di addestrare (rigenerare) le celle durante la ricarica. Se non ce ne sono, dopo 5-6 cicli operativi nell'apparecchiatura, senza attendere una completa perdita di capacità, addestrarli e scartare gli elementi con forte autoscarica.

E non ti deluderanno.

Uno dei forum ha commentato questo articolo "è scritto stupidamente, ma non c'è nient'altro". Quindi questo non è "stupido", ma semplice e accessibile a chiunque abbia bisogno di aiuto in cucina. Cioè, il più semplice possibile. Le persone avanzate possono installare un controller, collegare un computer, ...... , ma questa è un'altra storia.

Per non sembrare stupido

Esistono caricabatterie "intelligenti" per celle NiMH.

Questo caricabatterie funziona con ciascuna batteria separatamente.

Può:

1. lavorare individualmente con ciascuna batteria in diverse modalità,
2. caricare le batterie in modalità veloce e lenta,
3. Display LCD individuale per ciascuno vano batteria,
4. caricare ciascuna batteria in modo indipendente,
5. caricare da una a quattro batterie di diverse capacità e dimensioni (AA o AAA),
6. proteggere la batteria dal surriscaldamento,
7. proteggere ciascuna batteria dal sovraccarico,
8. determinazione della fine della carica mediante caduta di tensione,
9. identificare le batterie difettose,
10. pre-scaricare la batteria alla tensione residua,
11. ripristinare le vecchie batterie (allenamento carica-scarica),
12. controllare la capacità della batteria,
13. visualizzazione sul display LCD: - corrente di carica, tensione, riflettono la capacità corrente.

La cosa più importante, lo sottolineo, questo tipo di dispositivo ti consente di lavorare individualmente con ciascuna batteria.

Secondo le recensioni degli utenti, un caricabatterie di questo tipo consente di ripristinare la maggior parte delle batterie trascurate e quelle riparabili possono essere utilizzate per l'intera durata di servizio garantita.

Purtroppo non ho utilizzato un caricabatterie del genere, visto che è semplicemente impossibile acquistarlo in provincia, ma potete trovare molte recensioni nei forum.

La cosa principale è non caricare correnti elevate, nonostante la modalità dichiarata con correnti di 0,7 - 1 A, è comunque un dispositivo di piccole dimensioni e può dissipare una potenza di 2-5 W.

Conclusione

Qualsiasi ripristino delle batterie NiMh è un lavoro strettamente individuale (con ogni singolo elemento). Con monitoraggio costante e rifiuto degli elementi che non accettano la ricarica.

E il modo migliore per ripristinarli è con l'aiuto di caricabatterie intelligenti che consentono di eseguire individualmente lo scarto e un ciclo di carica-scarica con ciascun elemento. E poiché non esistono dispositivi che funzionino automaticamente con batterie di qualsiasi capacità, sono progettati per elementi di capacità rigorosamente definita o devono avere correnti di carica e scarica controllate!

Caratteristiche di ricarica delle batterie Ni─MH, requisiti del caricabatterie e parametri di base

Le batterie al nichel-metallo idruro si stanno gradualmente diffondendo sul mercato e la loro tecnologia di produzione viene migliorata. Molti produttori stanno gradualmente migliorando le loro caratteristiche. In particolare, aumenta il numero di cicli di carica-scarica e diminuisce l’autoscarica delle batterie Ni─MH. Questo tipo di batteria è stata prodotta per sostituire le batterie Ni─Cd e le sta gradualmente eliminando dal mercato. Ma rimangono alcune aree di utilizzo in cui le batterie al nichel-metallo idruro non possono sostituire quelle al cadmio. Soprattutto dove sono richieste correnti di scarica elevate. Entrambi i tipi di batterie richiedono una ricarica adeguata per prolungarne la durata. Abbiamo già parlato della ricarica delle batterie al nichel-cadmio, ora è il momento di caricare le batterie Ni-MH.

Durante il processo di ricarica nella batteria avvengono una serie di reazioni chimiche che utilizzano parte dell'energia fornita. L'altra parte dell'energia viene convertita in calore. L'efficienza del processo di ricarica è quella parte dell'energia fornita che rimane nella “riserva” della batteria. Il valore di efficienza può variare a seconda delle condizioni di ricarica, ma non è mai al 100%. Vale la pena notare che l'efficienza è maggiore rispetto al caso dell'idruro metallico di nichel. Il processo di ricarica delle batterie Ni─MH avviene con un grande rilascio di calore, che impone i propri limiti e caratteristiche.

La velocità di ricarica dipende principalmente dalla quantità di corrente fornita. La corrente con cui caricare le batterie Ni─MH è determinata dal tipo di carica selezionato. In questo caso, la corrente viene misurata in frazioni della capacità (C) delle batterie Ni─MH. Ad esempio, con una capacità di 1500 corrente mAh 0,5°C saranno 750 mA. A seconda della velocità di carica delle batterie al nichel-metallo idruro si distinguono tre tipi di carica:

• Gocciolamento (corrente di carica 0,1 C);
• Veloce (0,3°C);
• Accelerato (0,5─1C).

In generale, esistono solo due tipi di ricarica: gocciolamento e accelerata. Veloce e accelerato sono praticamente la stessa cosa. Differiscono solo nel metodo di interruzione del processo di ricarica.

In generale, qualsiasi ricarica delle batterie Ni─MH con una corrente superiore a 0,1C è rapida e richiede il monitoraggio di alcuni criteri per la fine del processo. La ricarica di mantenimento non lo richiede e può continuare indefinitamente.

Tipi di ricarica delle batterie al nichel-metallo idruro

Ora, diamo un'occhiata alle caratteristiche diversi tipi dettagli di ricarica.

Carica di mantenimento delle batterie Ni─MH

Vale la pena dire qui che questo tipo di ricarica non aumenta la durata delle batterie Ni─MH. Poiché la carica di mantenimento non si spegne anche dopo una carica completa, la corrente selezionata è molto bassa. Questo viene fatto per garantire che le batterie non si surriscaldino durante la ricarica a lungo termine. Nel caso delle batterie Ni─MH, il valore corrente può essere ridotto anche a 0,05C. Per il nichel-cadmio è adatto 0,1C.

Con la ricarica a goccia non esiste una tensione massima caratteristica e l'unica limitazione per questo tipo di ricarica può essere il tempo. Per stimare il tempo necessario, è necessario conoscere la capacità e la carica iniziale della batteria. Per calcolare il tempo di ricarica in modo più accurato, è necessario scaricare la batteria. Ciò eliminerà l'influenza della carica iniziale. L'efficienza della carica di mantenimento delle batterie Ni─MH è del 70%, inferiore rispetto ad altri tipi. Molti produttori di batterie al nichel-metallo idruro sconsigliano l'uso della carica di mantenimento. Anche se recentemente sono apparse sempre più informazioni modelli moderni

Le batterie Ni─MH non si degradano durante la carica di mantenimento.

I produttori di batterie Ni─MH nelle loro raccomandazioni forniscono caratteristiche per la ricarica con un valore di corrente compreso tra 0,75─1C. Concentrati su questi valori quando scegli con quale corrente caricare le batterie Ni─MH. Si sconsigliano correnti di carica superiori a questi valori in quanto ciò potrebbe causare l'apertura della valvola di sicurezza per scaricare la pressione. Si consiglia di caricare rapidamente le batterie al nichel-metallo idruro a una temperatura di 0-40 gradi Celsius e una tensione di 0,8-8 volt.

Efficienza del processo ricarica rapida molto più del gocciolamento. Si tratta di circa il 90%. Tuttavia, una volta completato il processo, l’efficienza diminuisce drasticamente e l’energia si trasforma in rilascio di calore. La temperatura e la pressione all'interno della batteria aumentano notevolmente. avere una valvola di emergenza che può aprirsi quando la pressione aumenta. In questo caso, le proprietà della batteria andranno irrimediabilmente perse. E l'alta temperatura stessa ha un effetto dannoso sulla struttura degli elettrodi della batteria. Pertanto, abbiamo bisogno di criteri chiari in base ai quali fermare il processo di addebito.

Di seguito presenteremo i requisiti per il caricabatterie (caricabatterie) per batterie Ni─MH. Per ora notiamo che tali caricabatterie si caricano secondo un determinato algoritmo. Le fasi di questo algoritmo sono generalmente le seguenti:

• determinare la presenza di una batteria;
• qualificazione della batteria;
• precarica;
• passaggio alla ricarica rapida;
• ricarica rapida;
• ricarica;
• ricarica di mantenimento.

A questo punto viene applicata una corrente di 0,1C e viene controllata la tensione ai poli. Per avviare il processo di ricarica, la tensione non deve essere superiore a 1,8 volt. Altrimenti il ​​processo non si avvierà.

Vale la pena notare che il controllo della presenza della batteria viene effettuato in altre fasi. Ciò è necessario nel caso in cui la batteria venga rimossa dal caricabatterie.

Se la logica della memoria determina che il valore della tensione è maggiore di 1,8 volt, ciò viene percepito come assenza di batteria o suo danno.

Qualificazione della batteria

Qui è possibile determinare una stima approssimativa della carica della batteria. Se la tensione è inferiore a 0,8 volt, non è possibile avviare la ricarica rapida della batteria. In questo caso, il caricabatterie attiverà la modalità di precarica. Durante l'uso normale, le batterie Ni─MH raramente si scaricano a tensioni inferiori a 1 volt. Pertanto la precarica viene attivata solo in caso di scariche profonde e dopo un lungo stoccaggio della batteria.

Precarica

Come accennato in precedenza, la precarica viene attivata quando le batterie Ni─MH sono completamente scariche. La corrente in questa fase è fissata a 0,1─0,3C. Questa fase è limitata nel tempo e dura circa 30 minuti. Se durante questo periodo la batteria non ripristina la tensione a 0,8 volt, la carica viene interrotta. In questo caso, molto probabilmente la batteria è danneggiata.

Passaggio alla ricarica rapida

In questa fase si verifica un aumento graduale della corrente di carica. La corrente aumenta gradualmente nell'arco di 2-5 minuti. Allo stesso tempo, come nelle altre fasi, la temperatura viene controllata e la carica viene disattivata a valori critici.

La corrente di carica in questa fase è compresa tra 0,5─1C. La cosa più importante nella fase di ricarica rapida è interrompere tempestivamente la corrente. Per fare ciò, quando si caricano le batterie Ni─MH, il controllo viene utilizzato secondo diversi criteri.

Per coloro che non lo sanno, durante la ricarica viene utilizzato il metodo di controllo della tensione delta. Durante il processo di ricarica cresce costantemente e alla fine del processo inizia a cadere. Tipicamente la fine della carica è determinata da una caduta di tensione di 30 mV. Ma questo metodo di controllo non funziona molto bene con le batterie al nichel-metallo idruro. In questo caso la caduta di tensione non è così pronunciata come nel caso del Ni─Cd. Pertanto, per attivare lo spegnimento, è necessario aumentare la sensibilità. Inoltre, con l'aumento della sensibilità, aumenta la probabilità di falsi allarmi dovuti al rumore della batteria. Inoltre, quando si caricano più batterie, l'operazione avviene in momenti diversi e l'intero processo risulta confuso.

Tuttavia, la cosa principale è interrompere la ricarica a causa di una caduta di tensione. Quando si carica con una corrente di 1C, la caduta di tensione per lo spegnimento è di 2,5-12 mV. A volte i produttori impostano il rilevamento non in base a una caduta, ma all'assenza di una variazione di tensione alla fine della carica.

In questo caso, durante i primi 5-10 minuti di ricarica, il controllo del delta tensione viene disattivato. Questo perché quando inizia la ricarica rapida, la tensione della batteria può cambiare notevolmente a causa del processo di fluttuazione. Quindi avanti fase iniziale il controllo è disabilitato per eliminare i falsi allarmi.

A causa dell'affidabilità non molto elevata dello spegnimento della ricarica in base al delta di tensione, il controllo viene utilizzato anche in base ad altri criteri.

Al termine del processo di ricarica della batteria Ni─MH, la sua temperatura inizia ad aumentare. Questo parametro viene utilizzato per disattivare la carica. Per escludere il valore della temperatura del sistema operativo, il monitoraggio viene effettuato non in base al valore assoluto, ma in base al delta. In genere, come criterio per interrompere la ricarica viene preso un aumento della temperatura di oltre 1 grado al minuto. Ma questo metodo potrebbe non funzionare con correnti di carica inferiori a 0,5 C, quando la temperatura aumenta piuttosto lentamente. E in questo caso è possibile ricaricare la batteria Ni-MH.

Esiste anche un metodo per monitorare il processo di carica analizzando la derivata della tensione. In questo caso, non viene monitorato il delta di tensione, ma la velocità del suo aumento massimo. Il metodo consente di interrompere la ricarica rapida leggermente prima che la carica sia completata. Ma tale controllo è associato a una serie di difficoltà, in particolare a una misurazione della tensione più accurata.

Alcuni caricabatterie per batterie Ni─MH utilizzano corrente pulsata anziché continua per la ricarica. Viene erogato per una durata di 1 secondo ad intervalli di 20-30 millisecondi. Gli esperti citano una distribuzione più uniforme come vantaggio di tale tassa. sostanze attive in termini di volume della batteria e riducendo la formazione di cristalli di grandi dimensioni.

Inoltre, vengono riportate misurazioni della tensione più accurate tra le iniezioni di corrente. Come sviluppo di questo metodo è stata proposta la Reflex Charging. In questo caso, quando si applica una corrente pulsata, si alternano la carica (1 secondo) e la scarica (5 secondi). La corrente di scarica è 1─2,5 volte inferiore a quella di carica. I vantaggi includono una temperatura più bassa durante la carica e l'eliminazione di grandi formazioni cristalline.

Quando si caricano batterie al nichel-metallo idruro, è molto importante monitorare la fine del processo di carica utilizzando vari parametri. Devono essere fornite modalità di terminazione di emergenza. A questo scopo è possibile utilizzare il valore assoluto della temperatura. Spesso questo valore è 45-50 gradi Celsius. In questo caso la carica dovrà essere interrotta e ripresa dopo il raffreddamento. La capacità delle batterie Ni─MH di accettare una carica a questa temperatura diminuisce.

È importante impostare un limite di tempo per la ricarica. Può essere stimato in base alla capacità della batteria, alla corrente di carica e all'efficienza del processo. Il limite è fissato al momento stimato più il 5-10%. In questo caso, se nessuno dei metodi di controllo precedenti funziona, la ricarica si spegnerà all'ora impostata.

In questa fase, la corrente di carica è impostata su 0,1─0,3C. Durata circa 30 minuti. Non è consigliabile effettuare una ricarica più lunga poiché ridurrà la durata della batteria. La fase di ricarica aiuta a equalizzare la carica delle celle della batteria. È meglio se, dopo la ricarica rapida, le batterie si raffreddano a temperatura ambiente e quindi inizia la ricarica. Quindi la batteria ripristinerà la sua piena capacità.

I caricabatterie per batterie Ni─Cd spesso commutano le batterie in modalità di carica di mantenimento dopo aver completato il processo di ricarica. Per le batterie Ni─MH, questo sarà utile solo se viene fornita una corrente molto piccola (circa 0,005°C). Questo sarà sufficiente per compensare l'autoscarica della batteria.

Idealmente, il caricabatterie dovrebbe avere la funzione di consentire la ricarica di mantenimento quando la tensione della batteria diminuisce. La ricarica di mantenimento ha senso solo se trascorre un tempo sufficientemente lungo tra la ricarica e l'utilizzo delle batterie.

Ricarica ultraveloce delle batterie Ni-MH

Da menzionare anche la ricarica ultraveloce delle batterie. È noto che una batteria al nichel-metallo idruro caricata al 70% della sua capacità ha un'efficienza di carica vicina al 100%. Pertanto in questa fase ha senso aumentare la corrente per accelerarne il passaggio. In questi casi, le correnti sono limitate a 10°C. Il problema principale qui è determinare il 70% della carica al quale la corrente dovrebbe essere ridotta alla normale ricarica rapida. Ciò dipende in gran parte dal grado di scarica con cui la batteria ha iniziato a caricarsi. Una corrente elevata può facilmente portare al surriscaldamento della batteria e alla distruzione della struttura dei suoi elettrodi. Pertanto, l'utilizzo della ricarica ultraveloce è consigliato solo se si possiedono le competenze e l'esperienza adeguate.

Requisiti generali per caricabatterie per batterie al nichel-metallo idruro

Non è pratico smontare i singoli modelli per caricare le batterie Ni─MH nell'ambito di questo articolo. È sufficiente notare che questi possono essere caricabatterie mirati per la ricarica di batterie al nichel-metallo idruro. Hanno un algoritmo di ricarica cablato (o più) e funzionano costantemente in base ad esso. È lì dispositivi universali, che consentono di ottimizzare i parametri di ricarica. Per esempio, . Tali dispositivi possono essere utilizzati per caricare varie batterie. Anche se è presente un alimentatore di potenza adeguata.

È necessario spendere qualche parola su quali caratteristiche e funzionalità dovrebbe avere un caricabatterie per batterie Ni─MH. Il dispositivo deve essere in grado di regolare la corrente di carica o la sua installazione automatica a seconda del tipo di batterie. Perché è importante?

Ora ci sono molti modelli di batterie al nichel-metallo idruro e molte batterie con lo stesso fattore di forma possono differire in termini di capacità. Di conseguenza, la corrente di carica dovrebbe essere diversa. Se si carica con una corrente superiore al normale, si verificherà il riscaldamento. Se è inferiore al normale, il processo di ricarica richiederà più tempo del previsto.

Nella maggior parte dei casi, le correnti sui caricabatterie sono realizzate sotto forma di "preimpostazioni" per batterie standard. In generale, durante la ricarica, i produttori di batterie Ni-MH non consigliano di impostare una corrente superiore a 1,3-1,5 A per il tipo AA, indipendentemente dalla capacità. Se per qualche motivo è necessario aumentare questo valore, è necessario occuparsi del raffreddamento forzato delle batterie.

Un altro problema riguarda il caricabatterie che interrompe l'alimentazione durante la ricarica. In questo caso, all'accensione, si riavvierà dalla fase di rilevamento della batteria. Il momento in cui termina la ricarica rapida non è determinato dal tempo, ma da una serie di altri criteri. Pertanto, se è passato, verrà saltato all'accensione. Ma la fase di ricarica avverrà nuovamente, se è già avvenuta. Di conseguenza, la batteria riceve un sovraccarico indesiderato e un riscaldamento eccessivo. Tra gli altri requisiti per il caricabatterie delle batterie Ni-MH c'è un basso livello di scarica quando il caricabatterie è spento. La corrente di scarica in un caricabatterie diseccitato non deve superare 1 mA.

Vale la pena notare che il caricabatterie ha un'altra importante funzione. Deve riconoscere le fonti di corrente primarie. In poche parole, batterie allo zinco-manganese e alcaline.

Quando si installano e si caricano tali batterie in un caricabatterie, potrebbero esplodere, poiché non dispongono di una valvola di emergenza per scaricare la pressione. Il caricabatterie deve essere in grado di riconoscere tali fonti di corrente primarie e non avviare la ricarica.

Anche se qui vale la pena notare che la determinazione delle batterie e delle fonti di corrente primarie presenta una serie di difficoltà. Pertanto, i produttori di memorie non sempre dotano i loro modelli di funzioni simili.

Le batterie Ni─MH sono pubblicizzate dai produttori come batterie con elevata capacità energetica, resistenti al freddo e prive degli svantaggi delle batterie al cadmio. In effetti, questo tipo di batteria non contiene una sostanza così dannosa come il cadmio. La produzione e la lavorazione delle batterie Ni─MH non presentano le stesse difficoltà delle batterie Ni─Cd. Ma presentano ancora alcuni svantaggi delle batterie al cadmio. Ad esempio, è rimasto l’”effetto memoria”. E in generale, le Ni─MH sono molto sensibili alle modalità di carica e scarica. Le batterie al nichel-metallo idruro richiedono dispositivi avanzati per caricarsi. Inoltre, al fine di prolungare la durata di tali elementi, è necessario ripristinarli periodicamente. Parliamo di come ciò può essere fatto.

Nonostante i vantaggi delle batterie al nichel-metallo idruro rispetto alle batterie al nichel-cadmio, presentano numerosi svantaggi. E devono essere presi in considerazione durante il funzionamento.

Per cominciare, va notato che Ni─Cd è più costoso. È vero, la tecnologia non si ferma e il prezzo di questi tipi di batterie sta gradualmente diventando comparabile. In questo caso stiamo parlando di batterie con fattore di forma comune AA ("dito") e AAA ("mignolo"). L'effetto memoria è più pronunciato, tuttavia anche le batterie al nichel-metallo idruro devono affrontare questo problema.

Le batterie al nichel-metallo idruro hanno meno cicli di carica-scarica. Il primo deterioramento delle loro caratteristiche prestazionali si osserva dopo 200-300 cicli di carica-scarica. Questo tipo di batteria ha un'autoscarica maggiore rispetto alle batterie Ni─Cd (circa 1,5 volte).

Vale la pena notare un altro punto. Le batterie al nichel-metallo idruro possono erogare corrente elevata, ma non è consigliabile impostare valori superiori a 0,5*C durante la scarica. Ciò porta ad una significativa riduzione del numero di cicli di carica-scarica e ad una diminuzione della durata. Per ora, dove sono richieste correnti di scarica elevate, vengono ancora utilizzate batterie Ni─Cd.

Non dimenticare che un caricabatterie per batterie Ni-MH funzionerà senza problemi con batterie al nichel-cadmio, ma non viceversa.

Carica di batterie al nichel-metallo idruro

La ricarica delle batterie al nichel-metallo idruro può essere rapida e a goccia. La ricarica di mantenimento non è consigliata dai produttori a causa della difficoltà nel rilevare quando il flusso di corrente alla batteria si è interrotto. Di conseguenza, potrebbero verificarsi gravi sovraccarichi e deterioramento della batteria. Di norma, le batterie Ni─MH vengono caricate utilizzando un'opzione di ricarica rapida o accelerata. Allo stesso tempo, l’efficienza di carica è maggiore rispetto alla ricarica a goccia. La corrente di carica in questo caso è impostata su 0,5─1C.

A causa dell’“effetto memoria”, le celle al nichel-metallo idruro possono perdere una parte significativa della loro capacità. Si manifesta meno che nel nichel-cadmio, ma è comunque presente. L'effetto memoria si manifesta durante cicli ripetuti di scarica incompleta e successiva ricarica. Come risultato di tale operazione, la batteria “ricorda” un limite di scarica sempre più basso, motivo per cui la capacità diminuisce. Parte della massa attiva della batteria cade dal processo.

Per eliminare questo effetto, si consiglia di ricondizionare o addestrare regolarmente le batterie. Per fare ciò, un caricabatterie o una lampadina scarica la batteria a 0,8-1 volt e quindi completa il processo di ricarica. Se la batteria non viene ripristinata per un lungo periodo, si consiglia di eseguire diversi cicli di questo tipo. La frequenza consigliata di tale formazione è una volta al mese.

I produttori di batterie Ni─MH affermano che l’“effetto memoria” assorbe circa il 5% della capacità. Il ripristino di questa quantità di capacità come risultato della formazione è del tutto possibile. In linea di principio, questo può essere misurato scaricando una batteria completamente carica. Per fare ciò dovrai rilevare il tempo di scarica e moltiplicarlo per la corrente di scarica. Questa sarà la capacità che dovrà essere confrontata con il valore nominale. Alcuni dispositivi, ad esempio, effettuano le misurazioni automaticamente.

Un punto importante quando si ripristinano le batterie Ni─MH è che il caricabatterie abbia una funzione di scarica della batteria con controllo della tensione minima. Ciò è necessario per evitare che la batteria si scarichi completamente durante il ripristino (sotto 0,8-1 volt). Ciò è indispensabile nei casi in cui non si conosce lo stato iniziale di carica della batteria e non è possibile stimare il tempo di scarica approssimativo.

Quando non si conosce lo stato di carica della batteria, è necessario scaricarla con una lampadina o altra resistenza sotto controllo di tensione costante. Altrimenti, tale ripristino della batteria si concluderà con una scarica profonda. Se si ripristina un'intera batteria con elementi collegati in serie, è meglio caricarli prima completamente per equalizzare il grado di carica.

In generale, per quanto riguarda il ripristino delle batterie al nichel-metallo idruro, va tenuto presente il seguente punto. Se la batteria ha già funzionato per diversi anni, tale ripristino mediante scaricamento e ricarica completa potrebbe essere inutile. Tale ripristino è utile come manutenzione preventiva periodica durante il funzionamento della batteria. Il fatto è che durante il funzionamento delle batterie Ni─MH, parallelamente al verificarsi dell '"effetto memoria", si verifica un cambiamento nella composizione e nel volume dell'elettrolito. Per le batterie al nichel-cadmio esistono esempi di ripristino mediante l'aggiunta di acqua distillata alle celle. Questo è stato discusso nell'articolo su.

Vorrei anche sottolineare che è meglio ripristinare gli elementi separatamente e non l'intera batteria.

Batterie al nichel-metallo idruro

Batteria al nichel-metallo idruro(Ni-MH) - secondario, in cui l'anodo è un elettrodo di idrogeno metallico idruro (solitamente un ibrido nichel-lantanio o nichel-litio), l'elettrolita è idrossido di potassio e il catodo è ossido di nichel.

Storia dell'invenzione

La ricerca nel campo della tecnologia di produzione delle batterie NiMH è iniziata negli anni '70 del XX secolo ed è stata intrapresa come tentativo di superare le carenze. Tuttavia, i composti di idruro metallico utilizzati a quel tempo erano instabili e le caratteristiche richieste non venivano raggiunte. Di conseguenza, lo sviluppo delle batterie NiMH è in fase di stallo. Nel 1980 sono stati sviluppati nuovi composti di idruro metallico, sufficientemente stabili per l'uso nelle batterie. Dalla fine degli anni '80, le batterie NiMH sono state continuamente migliorate, principalmente in termini di densità energetica. I loro sviluppatori hanno notato che la tecnologia NiMH ha il potenziale per raggiungere densità di energia ancora più elevate.

Opzioni

• Contenuto energetico teorico (Wh/kg): 300 Wh/kg.
• Intensità energetica specifica: circa - 60-72 Wh/kg.
• Densità energetica specifica (Wh/dm³): circa - 150 Wh/dm³.
• EMF: 1,25.
• Temperatura di funzionamento: −60…+55 °C .(-40…+55)
• Durata utile: circa 300-500 cicli di carica/scarica.

Descrizione

Le batterie al nichel-metallo idruro con fattore di forma Krona, in genere iniziano a 8,4 volt, riducono gradualmente la tensione a 7,2 volt e quindi, quando l'energia della batteria è esaurita, la tensione diminuisce rapidamente. Questo tipo di batteria è progettata per sostituire le batterie al nichel-cadmio. Le batterie al nichel-metallo idruro contengono circa il 20% grande capacità con le stesse dimensioni, ma una durata inferiore - da 200 a 300 cicli di carica/scarica. L'autoscarica è circa 1,5-2 volte superiore a quella delle batterie al nichel-cadmio.

Le batterie NiMH sono praticamente esenti dall’“effetto memoria”. Ciò significa che è possibile caricare una batteria non completamente scarica se non è rimasta in queste condizioni per più di qualche giorno. Se la batteria è stata parzialmente scarica e poi non è stata utilizzata per un lungo periodo (più di 30 giorni), è necessario scaricarla prima di ricaricarla.

Rispettoso dell'ambiente.

La modalità operativa più favorevole: carica a bassa corrente, capacità nominale 0,1, tempo di ricarica - 15-16 ore (raccomandazione tipica del produttore).

Magazzinaggio

Le batterie devono essere conservate completamente cariche nel frigorifero, ma a una temperatura non inferiore a 0 gradi. Durante lo stoccaggio si consiglia di controllare regolarmente la tensione (una volta ogni 1-2 mesi). Non dovrebbe scendere sotto 1,37. Se la tensione diminuisce, è necessario caricare nuovamente le batterie. L'unico tipo di batteria che può essere conservata scarica sono le batterie Ni-Cd.

Batterie NiMH a bassa autoscarica (LSD NiMH)

La batteria al nichel-metallo idruro a bassa autoscarica (LSD NiMH) è stata introdotta per la prima volta nel novembre 2005 da Sanyo con il marchio Eneloop. Successivamente, molti produttori globali hanno introdotto le batterie NiMH LSD.

Questo tipo di batteria ha un'autoscarica ridotta, il che significa che ha una durata di conservazione più lunga rispetto alle tradizionali NiMH. Le batterie vengono vendute come "pronte all'uso" o "precaricate" e sono commercializzate come sostituti delle batterie alcaline.

Rispetto alle normali batterie NiMH, gli LSD NiMH sono più utili quando possono trascorrere più di tre settimane tra la ricarica e l'utilizzo della batteria. Le batterie NiMH convenzionali perdono fino al 10% della loro capacità di carica durante le prime 24 ore dopo la ricarica, poi la corrente di autoscarica si stabilizza fino allo 0,5% della capacità al giorno. Per gli LSD NiMH la capacità è generalmente compresa tra lo 0,04% e lo 0,1% al giorno. I produttori affermano che migliorando l'elettrolita e l'elettrodo, sono stati in grado di ottenere i seguenti vantaggi dell'LSD NiMH rispetto alla tecnologia classica:

Tra gli svantaggi va notato che la capacità è relativamente leggermente inferiore. Attualmente (2012) la capacità nominale massima raggiunta dall'LSD è di 2700 mAh.

Tuttavia, durante il test delle batterie Sanyo Eneloop XX con una capacità nominale di 2500 mAh (minimo 2400 mAh), si è scoperto che tutte le batterie in un lotto di 16 pezzi (prodotte in Giappone, vendute in Corea del Sud) hanno una capacità ancora maggiore - da Da 2550 mAh a 2680 mAh . Testato con il caricabatterie LaCrosse BC-9009.

Elenco parziale delle batterie a lunga durata (bassa autoscarica):

• Prolife di Fujicell
• Accumulatore Ready2Use di Varta
• AccuEvolution di AccuPower
• Ibrido, platino e OPP precaricati da Rayovac
• eneloop di Sanyo
• eniTime di Yuasa
• Infinium di Panasonic
• ReCyko di Gold Peak
• Istantaneo di Vapex
• Hybrio di Uniross
• Cycle Energy di Sony
• MaxE e MaxE Plus di Ansmann
• EnergyOn di NexCell
• ActiveCharge/StayCharged/Pre-Charged/Accu di Duracell
• Precaricato da Kodak
• nx-ready da ENIX energies
• Imedio da
• Serratura elettronica Pleomax di Samsung
• Centura di Tenergy
• Ecomax di CDR King
• R2G di Lenmar
• LSD pronto all'uso da Turnigy

Altri vantaggi delle batterie NiMH a bassa autoscarica (LSD NiMH)

Le batterie NiMH a bassa autoscarica hanno in genere una resistenza interna significativamente inferiore rispetto alle batterie NiMH convenzionali. Ciò ha un effetto molto positivo nelle applicazioni con elevato consumo di corrente:

• Voltaggio più stabile
• Generazione di calore ridotta soprattutto nelle modalità di carica/scarica rapida
• Maggiore efficienza
• Possibilità di uscita di corrente a impulsi elevati (esempio: il flash della fotocamera si carica più velocemente)
• Possibilità di funzionamento a lungo termine in dispositivi a basso consumo energetico (Esempio: telecomandi, orologi.)

Metodi di addebito

La ricarica è in corso scossa elettrica quando la tensione sull'elemento è fino a 1,4 - 1,6 V. La tensione su un elemento completamente carico senza carico è 1,4 V. La tensione sotto carico varia da 1,4 a 0,9 V. La tensione senza carico su una batteria completamente scarica è 1 . 0 - 1,1 V (ulteriori scariche potrebbero danneggiare l'elemento). Per caricare la batteria, utilizzare una carica costante o corrente impulsiva con impulsi negativi di breve durata (per ripristinare l’effetto “memoria”, il metodo “FLEX Negative Pulse Charging” o “Reflex Charging”).

Monitoraggio della fine della carica tramite variazione di tensione

Uno dei metodi per determinare la fine di una carica è il metodo -ΔV. L'immagine mostra un grafico della tensione attraverso la cella durante la ricarica. Caricabatterie carica la batteria DC. Dopo che la batteria è completamente carica, la tensione inizia a diminuire. L'effetto si osserva solo con correnti di carica sufficientemente elevate (0,5C..1C). Il caricabatterie dovrebbe rilevare questo calo e disattivare la ricarica.

Esiste anche la cosiddetta "inflessione", un metodo per determinare la fine della ricarica rapida. L'essenza del metodo è che non viene analizzata la tensione massima della batteria, ma la derivata massima della tensione rispetto al tempo. Cioè, la ricarica rapida si interromperà nel momento in cui la velocità di aumento della tensione sarà massima. Ciò consente di completare prima la fase di ricarica rapida, quando la temperatura della batteria non è ancora aumentata in modo significativo. Tuttavia, il metodo richiede la misurazione della tensione con maggiore precisione e alcuni calcoli matematici (calcolo della derivata e filtraggio digitale del valore risultante).

Monitoraggio della fine della carica in base alle variazioni di temperatura

Quando si carica una cella con corrente continua, la maggior parte dell'energia elettrica viene convertita in energia chimica. Quando la batteria è completamente carica, l'alimentazione energia elettrica verrà convertito in calore. Quando abbastanza grande corrente di caricaÈ possibile determinare la fine della carica mediante un forte aumento della temperatura dell'elemento installando un sensore di temperatura della batteria. Massimo temperatura consentita batteria 60°C.

Applicazioni

Sostituzione di una cella galvanica standard, veicoli elettrici, defibrillatori, tecnologia missilistica e spaziale, sistemi di alimentazione autonomi, apparecchiature radio, apparecchiature di illuminazione.

Selezione della capacità della batteria

Quando si utilizzano batterie NiMH, non dovresti sempre inseguirle grande capacità. Quanto più capiente è la batteria, tanto maggiore (a parità di altre condizioni) la sua corrente di autoscarica. Consideriamo ad esempio le batterie con una capacità di 2500 mAh e 1900 mAh. Le batterie completamente cariche e non utilizzate, ad esempio, per un mese, perderanno parte della loro capacità elettrica a causa dell'autoscarica. Una batteria più capiente perderà la carica molto più velocemente di una meno capiente. Pertanto, dopo, ad esempio, un mese, le batterie avranno una carica approssimativamente uguale e, dopo un tempo ancora maggiore, la batteria inizialmente più capiente conterrà meno carica.